基于ANSYS的隧道二衬内力计算

基于ANSYS的隧道二衬内力计算围岩压力计算

基本概念地下洞室围岩在二次应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力是围岩与支护间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支护结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。按围岩压力的形成机理，可将其划分为变形围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。围岩位移曲线支护特性曲线围岩松动压力曲线松动压力支护特性曲线这里，我们计算松动围岩压力来作用于二衬。深埋隧道围岩松动压力计算

在隧道工程中，计算其上作用荷载的方法与其他的结构计算中采用的方法不同，通常不能通过公式准确计算得出，在很大程度上需依靠经验数据，计算方法为现象模拟方法。运用统计法计算，竖向均布作用为

式中S——围岩级别

γ——围岩重度

ω——宽度影响系数，其值为：ω=1+i（B-5）B——坑道宽度i——此处取i=0.1。注：此公式规定应用条件限制在采用在钻爆法施工的深埋隧道，且H/B＜1.7的范围内（H为坑道的高度，B为坑道宽度）。水平均布压力如下表：表4-2围岩水平均布作用压力浅埋隧道围岩压力计算

当隧道埋深h大于等效荷载高度时，随着隧道埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。i)求破裂面倾角β：式中θ—顶板土体两侧摩擦角；

—围岩的摩擦角。

ii)求侧压力系数λ：

iii)求围岩垂直均布松动压力q：

式中B—坑道跨度；

h—洞顶岩体覆盖层厚度；

γ—围岩重度。iv)求围岩水平均布松动压力：水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为：式中H—地面到洞底岩体高度。二次衬砌支护承载比例2010年，我国《公路隧道设计细则》规定双车道及三车道分离式公路隧道，利用荷载结构法计算时，初期支护与二次衬砌的支护承载比例可参考下表的规定。取Ⅲ级深埋围岩压力进行二衬内力计算：q=70.416（kPa）e=0.15×q=10.5624（kPa）按规定这里取30%的二衬承载比例，则q=70.416×0.3=21.1248（kPa）e=10.5624×0.3=3.1687（kPa）只考虑围岩压力及结构自重，采用全周弹簧模型。Ⅲ级围岩衬砌采用C25钢筋混凝土结构，厚35cm，容重23，弹性模量29.5GPa，泊松比0.2.。Ⅲ级围岩，取弹性抗力系数为K=800MPa/m。深埋荷载分布图二衬内力计算一、AutoCAD中操作1、首先在CAD中将衬砌轮廓图画好2、运用boundary

命令，对象类型选择面域，并选择拾取点，点击区域，使它变成面域，然后回车。或直接点击绘图〉面域，创建面域。3、选择文件菜单，将文件输出成SAT文件类型并进行保存。

ANSYS中操作

1、打开ansys软件

在ansys

软件中将保存的sat文件打开，过程如图。2、sat文件在ansys中的显示，选择front

view

平面图。3、选择重新设置4、显示面域

plot

→areas

5、删除面域。Delete→areas

only

选择pick

all，点击ok。6、然后粗重新显甚示线pl枣ot宇→车li菌ne僚s因Ⅲ级围专岩段龄无仰击拱，痰故需倦删除辜下面传横线滤。7、Del岸ete经→li赵nes伯on嫂ly选择检线，点击ok。8、创愤建工乌作标记题。执行Fil及e>c渣han树g鲜Tit浓le命令败，输前入标滋题。9、选大择学础科范亦围。Mai谜nM烟enu总>Pr催efe痒ren温ces渐>St诵ruc圆tur腊al，点司击OK。10、定作义单早元类扔型Mai闯nMe谊nu>扛Pre尝pro推ces甚sor融>El孙eme俱ntT猜ype联>Ad挡d/Edi诸t/D脑ele湖te>默Add，为某拱形菜衬砌胳结构糖定义Be根am份3的梁冬单元嫩类型轻。定义Bea谱m3单元鹊对话汁框单元眉类型涨对话遥框11、定度义截傲面。执行Mai直nM咽enu膛>Pr阀epr纯oce米sso终r>S肾ect酒ion膝s>b响eam>C慈om顷mo匙n泰S悉ec求ti甩on抄s命令，圣依次输悉入截面钩号ID为1，截踪蝶面形摇状Su倦b-赤Ty奸pe为矩形助，平移抓截面节场点的位圈置Of娱fs者et轮To到Ce桌nt感ro巴id（质骄心）等，截晴面宽汉度1m，高辨度为0.3择5m，则截蹄面1定义完锣成。12、定浪义实窝常数执行Mai轻nM胳enu赠>Pr判epr可oce拍sso缴r>R米eal挤Co质nst附ant般s>Add墨/Ed潮it/枯Del净ete胳>Ad吐d命令，姻选中Ty贤pe羽1颤BE锻AM骂3，点坊击OK，面积AR登EA＝bh，惯性矩IZ硬Z=拉bh3/1俊2，高HEI级GHT耻=h,点击OK；13、定义合材料刊属性傲：Mai危nM嘱enu贼>P昨rep贤roc胡ess帆or>军Ma缩慧ter杏ial样Pr涨ops恩>M旨ate谷ria回lM包ode敏ls，在晃对话加框中访选择Str辰uct玻ura钞l>我Lin众ear馋>E主las怨tic位>Is藏otr益opi屡c，输入宁弹性模态量EX=天29.娃5e9，泊历松比PRX去Y=0他.2,单击OK。再赤选择Str级uct爷ura喉l>D造ens偿ity，输步入密居度DE痒NS漠=2据30绣0。14单元居网格闪划分其：执行Ma吊in奋M蒸en沾u>铜Pr夸ep均ro康ce旺ss闯or叼>M肢es硬hi玩ng牵>M辈es争hToo上l命令，竟在Ele漠men蚂t深Att悉rib望ute辣s栏选院择Li燃ne灾s，单击扇右边Set按钮责，选谷中L1后单击OK，弹出匀为线分井配单元水属性对文话框，余为L1选取1号材料祖、1号实或常数肉、1号单元俯和1号截面棋。单击OK回到Me脸sh搁To待ol对话旱框。单击Si民ze骨Co达nt风ro皮ls栏下Li湿ne陈s右边首的Set，为伏线的冬网格躺划分复设置海单元来尺寸计控制劈燕参数紧。选茧中L1单击OK，在ND惰IV栏输入40，即是一条崖线划夸分为40个单鞋元。该单击OK，回到Me姜sh察To映ol对话拖框。劲单击Mes遗h，选中L1，单击OK,网格葵划分旨完毕宿。15、查芹看单保元执行Plo堪tCt魔rls滥>Nu涂mbe推rin哑g命令损，如系图单击ok，执行plo仓t>E贫lem逮ent畅s命令，捷得单元敲和各自选单元号澡。16、查看刊节点执行Pl颜ot干Ct可rl待s>禾Nu坐mb级er仔in温g命令点击OK，得震到节企点编晨号图即。将划哗分网趟格后垮文件土存盘阁，Fil园e>S添ave壁a艳s命令融，保鸽存为db格式。17、计莫算主雕动压袍力产铃生的坟等效箱节点藏荷载福：执行Ut慈il厌it愈y峡Me才nu套>L绿is殃t允>N券od廉e命令，池在对话虹框中选激择Coo悄rdi莲nat厨es木onl恳y，查询零节点坐遣标，并沃另存为这文本。通过Exc宇el工作幕表将死各等育效节塞点荷皮载整剧理为忆命令仗流。小技巧煌：把荷伪载命令萌列、节妻点号列溜、荷载尝属性列繁、荷载犯大小列葡现在Ex网ce斩l里编好凉，再另皇存为CSV类型秃，出帐现对魂话框食都确哈定。川然后芽用记饱事本枕打开结。18、施加爹等效节上点荷载将命浮令流遍粘贴脾到AN跨SY务S输入窗疾口中，裹回车。宽单击SA秀VE厦-D攀B存盘堵。19、施决加径旷向弹回簧1）建隙立柱千坐标纠系作幅为局绢部坐味标系执行Uti妖lit屯y邪Men材u>W望ork遇Pla尝ne>乒Loc沫al旨Coo朴rdi妻nat康eS想yst套ems连>Cr垦eat丹Lo浆cal边CS驶>At冻Sp察eci件fie草dL精oc命令雕，选落中圆喝心，堪单击OK，在KCN栏输入吉编号11（大于10）；在KCS栏选择时柱坐标垂系代码1，ok。2）激活避局部坐归标系Ut介il东it贪y秃M卧en快u>示Wo嫩rk玩Pl握an祸e>拿Ch扩an唤ge靠A笛ct朱iv裁e觉CS铺t箱o>仔Sp文ec墨if读ie波d尖Co水or糕d洋Sy岛s命令，必输入编画号11录.同理整轰理好弹豪簧命令眯流。其中蛛，loc轿al表示定馒义局部请坐标系筹命令；11为局朴部坐纵标系饱编号逆；1代表柱晃坐标系遥；12磨37糕.0德5和44莫0.曲1表示拿设置绝柱坐灿标系茅的坐专标原眯点；cy淋sy，11表激活开局部坐恭标系11；psp映rng表示伪建立瘦弹簧两命令虏；1表节论点编唤号；tra时n表施加杠径向弹夏簧；400黄000鞭000表示弹晃簧弹性柏系数；1表示弹悔簧在沿荐柱坐标笔系x方向有卫一个单雪位的长辜度。将弹簧饰命令流族输入ans瓜ys中，舍得下盈图。20、施纵加约销束条咬件Ma毒in银M志en伪u>蛋So扬lu乏ti兔on路>D庸ef照in蔽e践Lo会ad凶s>滥Ap沾pl横y>茅St膜ru轮ct换ur预al曾>D崇is驾pl蹈ac钟em游en洁t>on锤No馒des，弹出擦在节点忽上施加联位移约异束对话陪框，用芬鼠标选豆取节点1和2，单击法“OK”按祸钮，贤弹出闪“Ap酱pl织y渠U,垦RO糊T躬on效N累od污es”对话多框，21、施加郑重力搭加速滴度：Ma达in询M起en志u>喂So布lu新ti志on量>D运ef仗in熟eL急oa而ds抬>A能pp随ly工>St语ru早ct伟ur碰al拒>I停ne与rt竖ia尝>G裁ra珠vi西ty，弹出它“App种ly(非Gra旗vit坛ati泡ona界l)A雷cce叫ler分ati辛on”对夜话框李，如制图所捎示。塞只需长在“Gl眉ob废al说C搬ar沫te慕si舅an偶Y宅-c陪om沃p”栏后走面输入态重力加鹅速度值后“9.8”就弊可以名，单码击“OK”按钮陶，就完货成了重往力加速狭度的施观加22、求解症运算纷：执行Ma猛in耽M赤en改u>峡So继lu戴ti疗on做>An鄙al咱ys坑is污T生yp元e>悄Ne肿w茅An沃ak傻ys泊is命令趟，设兄置St塑at秀ic分析类龄型。执厦行Ma进in您M缩慧en粪u>悼So李lu俭ti胀on欢>S成ol愉ve甲>Cu制rr乳en耀t好LS，弹出排一个求冷解选项辫信息和汽一个当俊前求解沫载荷赤步对渡话框宿，检裕查信嗓息无巡寿错误扬后，疏单击宋“OK”，开门始求解芒运算，乔直到出村现一个买“Sol祥uti茅on吹is隆don奶e”的提偶示栏，旁表示求茂解结束寨。后处奸理执行Mai选nM派enu侦>Ge躲ner伸al培Pos浩tpr桌oc>积Rea使dR粪esu却lts蓝>La窄st奏Set命令雄，读钢取计胁算结刃果。查看隧酒道衬砌编支护结输构变形榴图：Mai冬nM峡enu>Ge慎ner完al月Pos宅tpr沙oc>靠Plo顺tR骆esu哄lts折>De肾for纱med电sh躲ape，弹太出一撒个“Plo事tD毫efo备rme据dS女hap轿e”的弄对话投框，卧选中嗓“De震f+寨un姿de顶fo掌rm爬ed”并庄单击炒“OK”，出妹现隧道归衬砌支饭护结构极变形图室。执行Mai搭nM盲enu悬>Ge粘ner洲al衬Pos鸣tpr签oc>El羽em哨en脚t叛Ta饭bl荡e>惕De缎fi档ne纠T私ab友le撒,定义结销果显示居列表，再执行Mai谦nM膜enu险>Ge红ner彻al哥Pos姓tpr耀oc>El变em坦en春t件Ta劲bl混e>伟Li炼st百E掩le腥m德Ta艰bl闻e,选择NI，得启各单枕元轴嘉力。（正厉值受冠拉，农负值都受压渗）除愤去受肃拉弹气簧，屑则得污到49-婆72号弹簧活受拉，梨需去除薪。执行Ma摇in百M累en韵u>收Pr虑ep宝ro干ce鱼ss铅or屈>M骆od侨el键in省g>贯De逗le棍te>E悠le选me彻nt跳s，弹矩出一取个删以除单拢元选墨取对电话框（分怨批多捞次去奖除），执行Ma桐in役Me孝nu氏>P静re论pr荣oc蜂es乡丰so灯r>煎Mo旗de希